高速鐵路軌道不平順預設試驗最大幅值的研究

楊 飛，黎國清，劉金朝，孫善超

(中國鐵道科學研究院 鐵道部基礎設施檢測中心，北京 100081)

軌道不平順是輪軌系統的激擾源，是引起列車車輛振動和輪軌作用力的主要原因。嚴重的軌道不平順不但會引起機車車輛劇烈的振動，影響乘客乘坐的舒適性，甚至還會導致列車脫軌，危及行車安全。國內外的實踐證明，如果軌道的平順狀態滿足要求，列車的振動和動作用力都不太大，行車安全和平穩舒適性就能得到保證，軌道和機車車輛部件的使用周期和維修周期也會得到延長。安全和舒適一直是高速鐵路的核心問題，與之密切相連的軌道不平順也受到更大的關注［1-3］。

通過預設軌道不平順實車試驗的方法進行高速鐵路線路狀態管理標準的驗證和探索，在高速鐵路上預設軌道不平順，用實際運營的動車組以不同的速度級運行，再通過車上車下的檢測設備來實際檢測動車組的動力響應性能。但是，實設不平順試驗首先應當考慮試驗的安全性，目前世界各國普遍的做法是先通過動力學仿真計算出合適的不平順幅值，現場通過逐級提速的方法來保證安全。

1 幾何不平順輸入模型

由于無砟軌道比有砟軌道更易保持預設不平順的幅值及波長，因此，本文先考慮在無砟軌道線路上設置軌道不平順的情況?？紤]到仿真計算時輸入的軌道激勵不平順應最大程度接近現場情況，先在無砟軌道上預設多處不平順，用靜態小車測量實際的不平順線型狀況，通過整理分析，可發現，調整確認后的各不平順線型主要接近圖1所示類型。

圖1 靜態小車測量實際的不平順線型

實際證明，由于鋼軌具有一定的彈性，即使想把鋼軌調整為階梯狀，最后也變為余弦形狀，因此，輸入的軌道激勵不平順基本可等效為余弦形不平順(圖2)。

其中，A為幅值，λ為波長。

圖2 等效的軌道激勵不平順(余弦形)

2 動力學仿真模型建立及其驗證

1)利用 ADAMS/RAIL動力學仿真軟件建立了CRH2的動力學整車模型和CHN60踏面輪廓圖如圖3和圖4所示。

圖3 CRH2整車動力學模型

圖4 CHN60踏面輪廓

2)為驗證高低項目仿真結果的實用性，在某無砟軌道上預設一處10 m波長幅值為8 mm的高低，使用CRH2型動車組以不同的速度級通過，最高速度級為320 km/h，利用測力輪對測得通過此處時輪重減載率的大小，將輪重減載率實測數據作平均后和仿真數據作對比，如圖5所示。從圖5中可以看出，各速度級下實測輪重減載率基本在仿真結果趨勢線的上下均勻分布，考慮到測試數據的離散性和以及現場不可能是單一的高低不平順，仿真結果和實測數據有較小誤差，總之，在高低項目上仿真結果是比較準確的。

3)為驗證軌向項目仿真結果的實用性，在某無砟軌道上預設一處6 mm的軌向，使用CRH2型動車組以不同的速度級通過，最高速度級為320 km/h，利用測力輪對可以測得通過此處時脫軌系數的大小值，將脫軌系數試驗數據作平均后和仿真數據作對比，如圖6所示。從圖6中可以看出，軌向實測的離散性較大，和仿真結果有一定的偏差，但各速度級下實測脫軌系數基本在仿真結果趨勢線的上下均勻分布，考慮到測試數據本身的離散性和測試現場的復雜性，仿真結果在軌向項目上應當是可以適用的。

4)同樣，為驗證水平項目仿真結果的實用性，在某無砟軌道上預設一處6 mm的水平，使用CRH2型動車組以不同的速度級通過，最高速度級同樣為320 km/h，利用測力輪對可以測得通過此處時脫軌系數和減載率的大小，將脫軌系數和減載率試驗數據作平均后和仿真數據作對比，如圖7～圖8所示，從圖7～圖8中可以看出，各個速度級下實測減載率基本在仿真結果趨勢線以下，實測脫軌系數與仿真結果趨勢線偏差稍大，但基本上也在仿真結果趨勢線上下均勻分布，考慮到測試數據具有一定的離散性和測試現場的復雜性，以及水平對減載率的影響要大于脫軌系數，仿真結果在水平項目上是可以適用的。

圖5 動車減載率仿真結果和實測數據對比(高低8 mm)

圖6 動車脫軌系數仿真結果和實測數據對比(軌向6 mm)

圖7 輪重減載率仿真結果和實測數據對比(水平6 mm)

3 軌道不平順預設試驗最大幅值的研究

3.1 高低不平順

理論分析和試驗證明，高低不平順會激起車體和轉向架的垂向沉浮和點頭振動，并使得輪軌作用力產生很大的增減變化，因此高低不平順主要影響列車的垂向加速度和減載率。以下給出10 m波長垂向加速度和輪重減載率隨高低不平順幅值增加的仿真結果圖。從圖9、圖10中可以看出，隨著速度的增大，動車車體的垂直加速度和輪重減載率逐漸增大;隨著不平順幅值的增加，動車車體垂向加速度和減載率單調遞增，且近似為線性關系。由圖9和圖10建議實車試驗速度達到350 km/h和400 km/h時在無砟軌道上預設的高低不平順最大幅值為9 mm和8 mm。

圖8 脫軌系數仿真結果和實測數據對比(水平6 mm)

圖9 垂向加速度隨著幅值增加的變化情況

圖10 輪重減載率隨著幅值增加的變化情況

3.2 軌向不平順

理論分析和試驗證明，軌向不平順會激起車體的搖頭和側擺振動，并使得輪軌作用力中橫向力增大，因此軌向不平順主要影響列車的橫向加速度和脫軌系數。以下給出10 m波長橫向加速度和脫軌系數隨軌向不平順幅值增加的仿真結果圖。從圖11、圖12中可以看出，隨著速度的增大，動車車體的橫向加速度和脫軌系數呈遞增關系;隨著不平順幅值的增加，動車車體橫向加速度和脫軌系數單調遞增。在速度為400 km/h幅值為7 mm時，橫加幅值突增;在速度 350 km/h幅值為9 mm時，脫軌系數幅值突增;在速度400 km/h幅值為7 mm時，脫軌系數幅值突增。

因此，由圖11和圖12建議實車試驗速度達到350 km/h和400 km/h時，在無砟軌道上預設的軌向不平順最大幅值為7 mm和6 mm。

3.3 軌距不平順

軌距不平順主要影響輪軌接觸的幾何關系，對列車的橫向加速度和脫軌系數有一定的影響。以下給出10 m波長橫向加速度和脫軌系數隨大軌距和小軌距不平順幅值增加的仿真結果圖。從圖13～圖16中可以看出，隨著速度的增大，動車車體的橫向加速度和脫軌系數基本呈遞增關系。隨著不平順幅值的增加，動車車體橫向加速度和脫軌系數單調遞增。速度400 km/h時，大軌距情況下橫向加速度和脫軌系數先低于速度350 km/h時橫向加速度和脫軌系數，然后突增。

圖11 橫向加速度隨著幅值增加的變化情況

圖12 脫軌系數隨著幅值增加的變化情況

圖13 橫向加速度隨著大軌距幅值增加的變化情況

為研究實際現場軌距對車輛的動態響應，在某無砟軌道上預設一處7 mm的大軌距和5 mm的小軌距，使用CRH2型動車組以不同的速度級通過，最高速度級為330 km/h，利用測力輪對可以測得通過此處時脫軌系數的大小，如圖17所示，可見大軌距和小軌距對動車安全運行的影響很小。因此根據目前300 km/h≤V≤350 km/h動態檢測標準和圖13～圖16，建議在速度350 km/h和400 km/h時在無砟軌道上預設的大軌距不平順最大幅值為7 mm和6 mm，小軌距不平順最大幅值為 5 mm 和 4 mm［4］。

圖14 脫軌系數隨著大軌距幅值增加的變化情況

圖15 橫向加速度隨著小軌距幅值增加的變化情況

圖16 脫軌系數隨著小軌距幅值增加的變化情況

3.4 水平不平順

水平不平順加劇車輛的側滾、側擺振動，使得輪軌側向力增大，對列車的橫向加速度、垂向加速度、減載率和脫軌系數都有影響。以下給出10 m波長橫向加速度、垂向加速度、減載率和脫軌系數隨水平不平順幅值增加的仿真結果圖。從圖18～圖21中可以看出，隨著速度的增大，動車車體的橫向加速度、垂向加速度、脫軌系數和減載率呈遞增關系;隨著不平順幅值的增加，動車車體的橫向加速度、垂向加速度、脫軌系數和減載率也單調遞增。

因此，由圖 18～圖 21，建議實車試驗速度達到350 km/h和400 km/h時在無砟軌道上預設的水平不平順最大幅值為8 mm和7 mm。

綜上所述，高速鐵路軌道預設不平順試驗最大建議安全值如表1所示。

圖17 大軌距和小軌距實測脫軌系數變化

圖18 垂向加速度隨著幅值增加的變化情況

圖19 橫向加速度隨著幅值增加的變化情況

圖20 減載率隨著幅值增加的變化情況

圖21 脫軌系數隨著幅值增加的變化情況

表1 高速鐵路軌道預設不平順試驗最大建議安全值 mm

4 結論

隨著我國高速鐵路的快速發展，運營速度的不斷提高，與之相配套的管理標準也應當更加完善。因此，越來越多的科研工作者希望能夠進行預設不平順的實車試驗，以輔助制訂更加準確、合理、經濟的管理標準。

1)通過先在某無砟軌道線路上預設幾處軌道不平順，用靜態小車測量其線型狀況，確定仿真計算時輸入的軌道激勵不平順用余弦形不平順比較合適。

2)建立了CRH2的動力學模型，并根據320 km/h以下的試驗結果對模型進行驗證和完善。

3)通過計算機仿真，詳細研究了軌道不平順和動力學響應的關聯關系。對于高低項目，隨著速度和幅值的增加，近似為線性遞增關系;對于軌向項目，隨著速度和幅值的增加，動力學響應單調遞增，但會有響應突增現象，軌距項目也有類似現象;對于軌向項目，隨著速度和幅值的增加，各項動力學響應也表現為遞增關系。

4)給出了350 km/h和400 km/h下軌道不平順試驗預設的最大安全值，為完善試驗方案、節約試驗成本提供理論支撐。

［1］羅林，張格明，吳旺青，等.輪軌系統軌道不平順狀態的控制［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］李子睿 ，肖俊恒，李偉.高速行車條件下預設軌道不平順狀態的試驗分析［J］.鐵道建筑，2010(7):124-126.

［4］中華人民共和國鐵道部.科技基［2008］65號 客專300～350公里軌道不平順動態管理值［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［5］李明華，李立林，何曉源.高速鐵路軌道不平順幅值控制研究［J］.鐵道工程學報，2009，132(9):26-30.

［6］鐵道部科學研究院.客運專線300 km/h軌道不平順管理值的研究［R］.北京:鐵道部科學研究院，2008.